張友森，范江，丁濤，陳偉雄*，趙舒然，劉苗苗

電廠寬負(fù)荷運(yùn)行下蒸汽噴射器對(duì)低溫多效蒸餾系統(tǒng)的影響

張友森1，范江2，丁濤1，陳偉雄2*，趙舒然2，劉苗苗2

（1．神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京市 朝陽區(qū) 100025；2．動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西省 西安市 710049）

淡水資源匱乏問題日益嚴(yán)重，火電廠耦合低溫多效蒸餾(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技術(shù)因可有效降低制水成本而被廣泛利用。利用Ebsilon軟件對(duì)某電廠和低溫多效蒸餾海水淡化耦合系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析了電廠寬負(fù)荷下蒸汽噴射器對(duì)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：基于單級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，以電廠75%THA工況設(shè)計(jì)下的蒸汽噴射器的性能最佳。對(duì)于帶兩級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)電廠負(fù)荷在75%THA工況時(shí)系統(tǒng)的制水電耗量相比單級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)降低了13.65%，并且電廠負(fù)荷在50%THA工況以上時(shí)，帶兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量較單級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的低。

電廠寬負(fù)荷；蒸汽噴射器；低溫多效蒸餾；海水淡化；熱經(jīng)濟(jì)性

0 引言

海水淡化技術(shù)作為產(chǎn)生淡水的一種途徑而受到人們重視。低溫多效蒸餾(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技術(shù)具有的諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為主流的海水淡化技術(shù)，火電機(jī)組聯(lián)合低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)調(diào)峰成為一種新方法。電廠海水淡化島的建立，使得電廠調(diào)峰的性能大大增強(qiáng)，因此在增加電網(wǎng)中清潔能源發(fā)電比例的同時(shí)，當(dāng)電廠生成過量的蒸汽時(shí)，可以將蒸汽抽到海水淡化系統(tǒng)中生產(chǎn)淡水[1-3]。

沈勝?gòu)?qiáng)等[4]針對(duì)LT-MED海水淡化-發(fā)電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用等效焓降理論探究了制水電耗量和制水燃料成本，降低抽汽壓力，有利于降低制水能量成本，但是抽汽壓力的下限應(yīng)該滿足蒸汽噴射器引射系數(shù)的要求。周少祥[5]分析了熱電聯(lián)產(chǎn)海水淡化系統(tǒng)造水比和單位當(dāng)量電耗率，研究了熱電聯(lián)產(chǎn)LT-MED海水淡化系統(tǒng)利用蒸汽噴射器的節(jié)能效果，可大大提高熱電聯(lián)產(chǎn)海水淡化系統(tǒng)的性能。柴曉軍[6]對(duì)帶熱壓縮的LT-MED海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并以4效低溫多效海水淡化裝置為基礎(chǔ)提出了新的帶熱壓縮的LT-MED海水淡化系統(tǒng)，并得到了給定初參數(shù)下該系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。楊洛鵬等[7]建立了LT-MED系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，考慮了各種溫差損失對(duì)系統(tǒng)的熱力性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)器內(nèi)除沫器和管道摩擦引起的溫差損失隨溫度的降低而顯著增加，降低頂值鹽水溫度，增加蒸發(fā)器的效數(shù)，可以提高系統(tǒng)的造水比，降低制水的能量成本。

周士鶴等[8]建立的模型考慮了由流動(dòng)阻力和沸點(diǎn)升高引起的熱力損失，分析了熱力損失、進(jìn)料方式、預(yù)熱方式以及與蒸汽熱力壓縮器(thermal vapor compressor，TVC)相結(jié)合對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響。馬露露等[9]從熱力發(fā)電廠供熱方式及LT-MED供熱需求考慮，提出了3種可行的聯(lián)產(chǎn)工藝方式，包括“汽機(jī)抽汽–蒸汽壓縮–低溫蒸餾”、“汽機(jī)抽汽–蒸汽發(fā)生–低溫蒸餾”和“汽機(jī)乏汽–低溫蒸餾”，并對(duì)3種聯(lián)產(chǎn)方式進(jìn)行了能耗分析，反映了不同聯(lián)產(chǎn)方式時(shí)淡化成本的區(qū)別。沈勝?gòu)?qiáng)等[10]建立了TVC對(duì)MED海水淡化裝置性能的影響，討論了對(duì)于一定設(shè)計(jì)條件下的海水淡化裝置、蒸發(fā)器效數(shù)、TVC 引射蒸汽、工作蒸汽及抽汽位置和裝置的造水比，結(jié)果表明，蒸發(fā)器效數(shù)、TVC 吸入蒸汽溫度的增加都會(huì)提高造水比。解利昕等[11]針對(duì)其所建系統(tǒng)用MATLAB編程軟件和圖像?分析法，直觀形象地顯示了蒸汽壓縮噴射器動(dòng)力蒸汽側(cè)與加熱蒸汽側(cè)之間具有較大的品位差。

近年來，火電機(jī)組常在較低的負(fù)荷下運(yùn)行，電廠在寬負(fù)荷下運(yùn)行蒸汽噴射器的性能對(duì)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文對(duì)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)算及分析是基于某 330MW凝汽式機(jī)組與某LT-MED-4 000 t/d海水淡化裝置。汽輪機(jī)組共7級(jí)抽汽，LT-MED海水淡化裝置的加熱蒸汽來自汽輪機(jī)組的某段抽汽口。對(duì)不同設(shè)計(jì)工況下的單級(jí)蒸汽噴射器在電廠不同低負(fù)荷下進(jìn)行了仿真計(jì)算，并分析了帶兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，比較了單級(jí)蒸汽噴射器和兩級(jí)蒸汽噴射器的性能，為電廠耦合海水淡化的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行及改造提供參考。

1 電廠海水淡化島

1.1 LT-MED海水淡化系統(tǒng)

在電廠海水淡化島中，分為電廠系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)。本文利用Ebsilon軟件對(duì)電廠系統(tǒng)和LT-MED海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行建模。Ebsilon軟件是德國(guó)STEAG公司開發(fā)，被廣泛用于電站的設(shè)計(jì)、改造和運(yùn)行過程。本文建立的LT-MED海水淡化系統(tǒng)模型包括噴水減溫器、蒸汽噴射器、凝汽器、閃蒸罐、泵和蒸發(fā)器等模塊。其中，噴水減溫器、凝汽器、閃蒸罐是利用Ebsilon軟件自帶模塊，蒸汽噴射器和海水蒸發(fā)器是自編程模塊計(jì)算。蒸汽噴射器模型參考Chen等[12]建立的模型，蒸發(fā)器模型參考高從堦等[13]建立的模型。系統(tǒng)各個(gè)模塊都是根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)該LT-MED海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，作了以下假設(shè)：

1）系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)過程；

2）系統(tǒng)的熱力損失只考慮鹽水沸點(diǎn)升高；

3）各個(gè)模塊的散熱損失和流體的流動(dòng)阻力忽略不計(jì)；

4）所有的冷凝過程均在恒壓下進(jìn)行；

5）產(chǎn)生的淡水均為純水。

該海水淡化系統(tǒng)有6效蒸發(fā)器，海水的進(jìn)料方式為平流進(jìn)料和逆流進(jìn)料相結(jié)合的方式，將6效蒸發(fā)器分為2組，每組采用逆流進(jìn)料，組內(nèi)采用平流進(jìn)料。海水經(jīng)過冷凝器預(yù)熱后，由一級(jí)物料泵送往第4、5、6效，提濃后的海水匯集后由二級(jí)物料水泵送入第1、2、3效，這樣既可以保留低物料水溫時(shí)逆流進(jìn)料節(jié)約蒸汽耗量的優(yōu)點(diǎn)，又可以減少中間進(jìn)料泵的數(shù)量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)流程，同時(shí)節(jié)約了單位制水量的電耗[14]。凝汽器中的循環(huán)冷卻水是海水，海水經(jīng)過凝汽器吸熱后，一部分作為物料海水被利用，另一部分排入大海。LT-MED海水淡化系統(tǒng)如圖1所示。

1—噴水減溫器；2—蒸汽噴射器；3—蒸發(fā)器；4—凝結(jié)水泵；5—電動(dòng)機(jī)；6—淡水閃蒸罐；7—海水閃蒸罐；8—海水物料泵；9—海水凝汽器。

該海水淡化系統(tǒng)的入口海水濃度為45g/ L，入口海水溫度為29.4℃，經(jīng)過海水凝汽器預(yù)熱到43.1℃后，海水流量控制在540t/h，均分送往第4、5、6效作為進(jìn)料海水。蒸汽噴射器的動(dòng)力抽汽來自電廠的某抽汽口，由于電廠抽汽過熱度較高，故先經(jīng)噴水減溫器使蒸汽降到160℃，引射蒸汽來自末效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽，出口蒸汽經(jīng)過噴水減溫成飽和蒸汽后進(jìn)入首效蒸發(fā)器。保證淡水產(chǎn)量167t/h不變的前提下，進(jìn)入第1效蒸發(fā)器的加熱蒸汽參數(shù)為25kPa、65℃、32.5t/h。每一效蒸發(fā)器的溫差為3.1℃(管內(nèi)加熱蒸汽溫度與管外二次蒸汽溫度之差)。利用軟件對(duì)上述LT-MED海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行建模，在100%淡水負(fù)荷下對(duì)各效蒸發(fā)器出口的海水流量模擬值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 100%淡水負(fù)荷下各效蒸發(fā)器出口海水流量誤差對(duì)比

由表1可以看到，各效蒸發(fā)器出口的海水流量模擬值與設(shè)計(jì)值誤差均在0.68%以內(nèi)，吻合度較高，說明該LT-MED海水淡化系統(tǒng)可行。

蒸汽噴射器是一種不直接消耗機(jī)械功而提升蒸汽壓力的設(shè)備。由于電廠抽汽的蒸汽值和LT-MED驅(qū)動(dòng)蒸汽參數(shù)不匹配，因此一般采用蒸汽噴射器實(shí)現(xiàn)蒸汽參數(shù)的匹配。引射系數(shù)是蒸汽噴射器的工作性能的主要參數(shù)。引射系數(shù)等于引射蒸汽量與動(dòng)力蒸汽量的比值[15]。為驗(yàn)證蒸汽噴射器的準(zhǔn)確性，與某海水淡化系統(tǒng)蒸汽噴射器進(jìn)行比較，其設(shè)計(jì)引射系數(shù)為0.876，在設(shè)計(jì)工況下的蒸汽參數(shù)如表2所示。

表2 蒸汽噴射器設(shè)計(jì)工況下的蒸汽參數(shù)

蒸汽噴射器在海水淡化系統(tǒng)變工況時(shí)的引射系數(shù)誤差比較如表3所示。

表3 蒸汽噴射器引射系數(shù)誤差比較

由表2、3 可知，在同樣的進(jìn)出口蒸汽參數(shù)下，蒸汽噴射器設(shè)計(jì)工況下的引射比為0.868，誤差為0.92%，在海水淡化系統(tǒng)變工況時(shí)誤差也較小，說明本文所用蒸汽噴射器模型準(zhǔn)確。

在本文的研究范圍內(nèi)，為保證海水淡化系統(tǒng)淡水產(chǎn)量保持167t/h不變，需要單級(jí)蒸汽噴射器在各設(shè)計(jì)工況下，其出口壓力均為25kPa，出口流量均為31.8t/h。根據(jù)研究，在海水淡化系統(tǒng)中，蒸汽噴射器的?損占到海水淡化系統(tǒng)?損的一半左右，故本文重點(diǎn)對(duì)蒸汽噴射器的?損變化進(jìn)行討論。?是一個(gè)重要的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，?分析法基于熱力學(xué)第二定律，考慮了過程進(jìn)行的不可逆性。物質(zhì)的?包括水?和海水?，具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[16]。

根據(jù)?平衡關(guān)系，蒸汽噴射器的?損為其進(jìn)出口的?值差。

式中：x,L為蒸汽噴射器的?損；p,in為動(dòng)力蒸汽的?值，kW；s,in為引射蒸汽的?值，kW；c,out為出口蒸汽的?值，kW 。

在本文的計(jì)算中，兩級(jí)蒸汽噴射器的?損為第1級(jí)和第2級(jí)蒸汽噴射器的?損之和。

1.2 電廠系統(tǒng)

電廠系統(tǒng)是根據(jù)某330MW電廠進(jìn)行建模，該電廠主蒸汽為超高壓，并采用一次中間再熱，主蒸汽參數(shù)為16.67MPa、538℃，再熱蒸汽參數(shù)為3.46MPa、538℃。電廠系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電廠系統(tǒng)示意圖

用Ebsilon軟件搭建電廠系統(tǒng)的模型，忽略各模塊散熱損失，假設(shè)各回?zé)峒訜崞鞯亩瞬钤陔姀S變工況時(shí)不變。在各工況下比較機(jī)組熱耗的設(shè)計(jì)值和模擬值的誤差，結(jié)果如表4所示。

表4 電廠各工況下機(jī)組熱耗誤差比較

由表4可知，最大熱耗誤差為2.6%，因此認(rèn)為本文建立的火電機(jī)組模型精度較高。

電廠在參與調(diào)峰時(shí)需要在變工況下運(yùn)行，故需分析電廠變工況下各抽汽口的壓力對(duì)海水淡化系統(tǒng)的影響，本文選取第5段抽汽作為海水淡化系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)汽源。表5是電廠變工況下各抽汽口的壓力值。

表5 電廠變工況下各抽汽口的壓力值

2 水電聯(lián)產(chǎn)海水淡化系統(tǒng)熱力性能分析

2.1 電廠耦合LT-MED海水淡化系統(tǒng)

水電聯(lián)產(chǎn)LT-MED海水淡化系統(tǒng)即在電廠發(fā)電的同時(shí)，從某段抽汽口抽汽供海水淡化系統(tǒng)使用，將2個(gè)系統(tǒng)耦合起來，帶單級(jí)蒸汽噴射器的耦合系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 帶單級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

在沒有蒸汽噴射器的情況下，由表5中電廠變工況后各抽汽口的蒸汽壓力參數(shù)可知，電廠每段抽汽口的蒸汽壓力均可滿足需求；但是電廠抽取的蒸汽參數(shù)較高，不能和海水淡化系統(tǒng)很好地匹配，故需要通過減溫減壓器使得蒸汽參數(shù)匹配，這樣會(huì)損耗較多的能量，經(jīng)濟(jì)性較差。而有蒸汽噴射器時(shí)，由于對(duì)低壓蒸汽的利用，使得抽汽量大幅減少，從而造水比提高，制水電耗量降低，系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性提高。

2.2 單級(jí)蒸汽噴射器水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

海水淡化系統(tǒng)抽取蒸汽時(shí)，蒸汽能量品位的高低直接影響抽汽量，進(jìn)而影響機(jī)組發(fā)電量。在海水淡化中，最重要的性能指標(biāo)之一是造水比，表示各效蒸發(fā)器產(chǎn)生淡水總和與消耗蒸汽的比值。另一個(gè)指標(biāo)是制水電耗量(electricity loss for water production，ELWP)，指用于海水淡化的 抽汽返回電廠汽輪機(jī)做功的發(fā)電量與淡水產(chǎn)量的比值[4]。

由于電廠常在低負(fù)荷下運(yùn)行，故在電廠不同負(fù)荷下設(shè)計(jì)蒸汽噴射器，并研究不同負(fù)荷下設(shè)計(jì)后的蒸汽噴射器性能及對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。 一般海水淡化系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)蒸汽來自電廠的中壓缸排汽。

故本文討論：在保證淡水產(chǎn)量和蒸汽噴射器引射蒸汽位置不變的前提下，抽汽來自電廠的5段抽汽口，電廠變負(fù)荷下海水淡化系統(tǒng)的各性能指標(biāo)變化情況。分別以電廠不同工況的抽汽壓力參數(shù)設(shè)計(jì)蒸汽噴射器，在各設(shè)計(jì)工況下蒸汽噴射器的出口壓力均為25kPa，出口流量均為31.8t/h，引射蒸汽位置在末效蒸發(fā)器后，各設(shè)計(jì)工況下蒸汽噴射器的參數(shù)如表6所示。

表6 不同設(shè)計(jì)工況下的蒸汽噴射器的參數(shù)

海水淡化系統(tǒng)的性能變化具體如圖4—7 所示。

圖4 制水電耗量隨電廠負(fù)荷的變化

從圖4可以看到，隨著電廠負(fù)荷的增加，海水淡化系統(tǒng)的制水電耗量隨之增加，這是由于當(dāng)電廠負(fù)荷增加時(shí)，蒸汽噴射器的動(dòng)力蒸汽參數(shù)提高，意味著更高品位的蒸汽損失，機(jī)組的發(fā)電量減少；并且在不同的電廠負(fù)荷下，蒸汽噴射器按照工況1(電廠75% THA工況)下抽汽壓力參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)的制水電耗量最低。

圖5是蒸汽噴射器的引射系數(shù)隨電廠負(fù)荷的變化示意圖，可以看出，當(dāng)電廠負(fù)荷增加時(shí)，蒸汽噴射器的引射系數(shù)隨之增大，這是由于電廠負(fù)荷的增加使動(dòng)力抽汽的參數(shù)提高，故其引射能力增強(qiáng)，并且電廠負(fù)荷越大，蒸汽噴射器引射系數(shù)增加越緩慢；在不同的電廠負(fù)荷下，按照工況1下抽汽壓力參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)的蒸汽噴射器引射系數(shù)最大。

圖5 引射系數(shù)隨電廠負(fù)荷的變化

圖6 造水比隨電廠負(fù)荷的變化

圖7 蒸汽噴射器?損隨電廠負(fù)荷的變化

由圖6可見，系統(tǒng)的造水比隨著電廠負(fù)荷的增加而增加，這是由于電廠負(fù)荷增加使得抽汽壓力升高，在淡水產(chǎn)量和二次蒸汽的引射位置不變的情況下，蒸汽噴射器的引射能力隨著抽汽壓力的提高而提高，其引射低壓蒸汽的能力增強(qiáng)，故所需的電廠抽汽量減少，并且電廠負(fù)荷越大，蒸汽噴射器引射系數(shù)增加越緩慢，在不同的電廠負(fù)荷下，按照工況1下抽汽壓力參數(shù)設(shè)計(jì)的蒸汽噴射器的造水比最高。

圖7是蒸汽噴射器?損隨電廠負(fù)荷變化的示意圖，可以看到隨著電廠負(fù)荷的增加，蒸汽噴射器的?損隨之增加，這是因?yàn)殡姀S負(fù)荷增加，蒸汽噴射器的動(dòng)力蒸汽參數(shù)品質(zhì)提高，導(dǎo)致蒸汽的能量品位相差較大。在不同的電廠負(fù)荷下，按照工況1下抽汽壓力參數(shù)設(shè)計(jì)的蒸汽噴射器的?損失最小。

為此提出帶兩級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，來減小單級(jí)蒸汽噴射器蒸汽之間能量品位相差大的問題。

2.3 兩級(jí)蒸汽噴射器水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

單級(jí)蒸汽噴射器雖然可以實(shí)現(xiàn)電廠抽汽和海水淡化系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)蒸汽的參數(shù)匹配，但是單級(jí)蒸汽噴射器所抽的電廠蒸汽和引射蒸發(fā)器的二次蒸汽之間能量品位相差較大，蒸汽噴射器的?損較大，此外，由于電廠有不同參數(shù)的蒸汽，故考慮建立兩級(jí)蒸汽噴射器實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用：第一級(jí)蒸汽噴射器抽取電廠高溫高壓蒸汽，引射電廠低壓蒸汽；混合后的蒸汽作為第二級(jí)蒸汽噴射器的動(dòng)力蒸汽，引射蒸發(fā)器某一效產(chǎn)生的二次蒸汽。帶兩級(jí)蒸汽噴射器的耦合系統(tǒng)如圖8所示。本文的計(jì)算是基于電廠75%THA工況和淡水100%負(fù)荷下，對(duì)兩級(jí)蒸汽噴射器的系統(tǒng)進(jìn)行討論。

圖8 帶兩級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

如圖8所示，蒸汽噴射器不直接從蒸發(fā)器引射二次蒸汽，而是建立兩級(jí)蒸汽噴射器，間接地引射二次蒸汽。一二級(jí)蒸汽噴射器串聯(lián)后，在淡水產(chǎn)量和引射位置不變的前提下，單級(jí)蒸汽噴射器和兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)進(jìn)行比較。單級(jí)蒸汽噴射器抽電廠5段蒸汽；兩級(jí)蒸汽噴射器的第一級(jí)抽電廠5段蒸汽引射電廠7段蒸汽，第二級(jí)引射末效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽。在電廠75%THA工況下，單級(jí)蒸汽噴射器的設(shè)計(jì)引射系數(shù)為0.86，出口壓力為25kPa，出口流量為31.8t/h；兩級(jí)蒸汽噴射器的蒸汽參數(shù)如表7所示。

表7 兩級(jí)蒸汽噴射器的蒸汽參數(shù)

第2級(jí)蒸汽噴射器的出口壓力為25kPa，出口流量為31.8t/h，進(jìn)而保證海水淡化系統(tǒng)淡水產(chǎn)量不變。研究單級(jí)蒸汽噴射器和兩級(jí)蒸汽噴射器設(shè)計(jì)工況下的系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性，性能參數(shù)對(duì)比如 表8所示。

從表8中可知，帶兩級(jí)蒸汽噴射器的系統(tǒng)相比單級(jí)蒸汽噴射器而言，系統(tǒng)的制水電耗量降低了13.65%，這是因?yàn)樵趲杉?jí)蒸汽噴射器的系統(tǒng)中，第1級(jí)蒸汽噴射器抽電廠5段抽汽引射電廠7段抽汽的過程中，利用了7段抽汽口的低品位抽汽，從而節(jié)約了高品位的5段抽汽，使其可以返回汽輪機(jī)發(fā)電；另外，兩級(jí)蒸汽噴射器的?損比單級(jí)蒸汽噴射器的降低了12.04%，這也是由于對(duì)電廠7段抽汽的利用，使能量更大程度地得到了梯級(jí)利用。

表8 單級(jí)和兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)性能對(duì)比

以電廠75%THA工況分別設(shè)計(jì)單級(jí)和兩級(jí)蒸汽噴射器，探究在電廠更低負(fù)荷下系統(tǒng)的性能變化情況，如圖9和圖10所示。

圖9 單級(jí)和兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量變化

圖10 單級(jí)和兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的?損變化

從圖9中可以看到，隨著電廠負(fù)荷的降低，單級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量也隨之降低，而兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量先增大后減??；并且當(dāng)電廠負(fù)荷在50%THA工況以上時(shí)，兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量較單級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的低，且電廠負(fù)荷越高，效益越大；而當(dāng)電廠負(fù)荷低于50%THA工況時(shí)，單級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量比兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的低。

圖10是單級(jí)和兩級(jí)蒸汽噴射器的?損隨電廠負(fù)荷的變化情況。對(duì)于單級(jí)蒸汽噴射器，其?損隨著電廠負(fù)荷的降低而減小；而兩級(jí)蒸汽噴射器的?損則隨著電廠負(fù)荷的減小先增大后減小，在40%THA工況時(shí)?損最大，其原因與蒸汽噴射器的引射系數(shù)有關(guān)，而在電廠75%THA工況下蒸汽噴射器?損最小。表9是在不同的低負(fù)荷下蒸汽噴射器的引射系數(shù)。

表9 電廠不同低負(fù)荷下蒸汽噴射器引射系數(shù)

從表9可以看到，單級(jí)蒸汽噴射器的引射系數(shù)隨著電廠負(fù)荷的減小而減小。在兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)中，隨著電廠負(fù)荷的減小，第一級(jí)蒸汽噴射器的引射系數(shù)急劇降低，第2級(jí)蒸汽噴射器的引射系數(shù)則略有增加。當(dāng)電廠負(fù)荷從40%THA工況降到30%THA工況時(shí)，第1級(jí)蒸汽噴射器的引射系數(shù)從0.260驟降到0.034，其引射能力大幅降低，基本不再引射電廠低壓蒸汽，導(dǎo)致其?損也降低；而在電廠負(fù)荷從75%THA工況變化到40%THA工況的過程中，第1級(jí)蒸汽噴射器引射系數(shù)降低是導(dǎo)致?損增大的主要原因，所以在圖10中，電廠在40%THA工況時(shí)兩級(jí)蒸汽噴射器的?損最大。

對(duì)于本文研究的火電機(jī)組耦合海水淡化的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，如果火電機(jī)組常在高于50%THA工況的負(fù)荷下運(yùn)行，建議采用兩級(jí)蒸汽噴射器進(jìn)行抽汽制水，此時(shí)帶兩級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有著更低的制水電耗量。

3 結(jié)論

建立了水電聯(lián)產(chǎn)LT-MED海水淡化系統(tǒng)，從熱經(jīng)濟(jì)角度分析了電廠系統(tǒng)在低負(fù)荷下耦合海水淡化系統(tǒng)的性能，得到如下結(jié)論：

1）基于單級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，以電廠75%THA工況設(shè)計(jì)下的蒸汽噴射器的性能 最佳。

2）對(duì)于帶兩級(jí)蒸汽噴射器的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)電廠負(fù)荷在50%THA工況以上時(shí)，兩級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的制水電耗量較單級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)的低，且電廠負(fù)荷越高，效益越大；在電廠40%THA工況時(shí)蒸汽噴射器?損最大，而在電廠75%THA工況下?損最小。

[1] 楊寶紅．新形勢(shì)下火電廠節(jié)水減排工作特點(diǎn)及關(guān)鍵[J]．熱力發(fā)電，2016，45(9)：95-99．

Yang B H．Characteristics and key points of water saving and emission reduction in thermal power plants under the new situation[J]．Thermal Power Generation，2016，45(9)：95-99．

[2] 葉治安，張江濤，孫軍峰，等．沿海火電廠水島設(shè)計(jì)及要點(diǎn)分析[J]．中國(guó)電力，2018，51(12)：180-184．

Ye Z A，Zhang J T，Sun J F，et al．Coastal thermal power plant water channel design and key points analysis[J]．Electric Power，2018，51(12)：180-184．

[3] 王琪，鄭根江，譚永文．中國(guó)海水淡化工程運(yùn)行狀況[J]．水處理技術(shù)，2011，37(10)：12-14．

Wang Q，Zheng G J，Tan Y W．Operation status of China's seawater desalination project[J]．Technology of Water Treatment，2011，37(10)：12-14．

[4] 沈勝?gòu)?qiáng)，楊洛鵬．低溫多效蒸餾海水淡水-發(fā)電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J]．熱能動(dòng)力工程，2006，21(1)：22-26．

Sheng S Q，Yang L P．Economic analysis of LT-MED of seawater freshwater-power generation cogeneration system[J]．Thermal Power Engineering，2006，21(1)：22-26．

[5] 周少祥．熱電聯(lián)產(chǎn)低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的節(jié)能分析[J]．熱能動(dòng)力工程，1997，12(3)：164-166．

Zhou S X．Energy-saving analysis of LT-MED system with combined heat and power[J]．Thermal Power Engineering，1997，12(3)：164-166．

[6] 柴曉軍．電廠低溫多效海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．電力技術(shù)，2010，19(3)：42-45．

Chai X J．Optimized design of LT-MED system in power plant[J]．Electric Power Technology，2010，19(3)：42-45．

[7] 楊洛鵬，沈勝?gòu)?qiáng)，Klaus Genthner．低溫多效海水淡化系統(tǒng)熱力分析[J]．化學(xué)工程，2006，34(11)：20-24．

Yang L P，Sheng S Q，Klaus G．Thermal analysis of LT-MED system[J]．Chemical Engineering，2006，34(11)：20-24．

[8] 周士鶴，郭亞麗，沈勝?gòu)?qiáng)，等．低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置中流動(dòng)阻力對(duì)傳熱溫差的影響[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49(5)：30-35．

Zhou S H，Guo Y L，Sheng S Q，et al．Influence of flow resistance on temperature difference of heat transfer in LT-MED unit[J]．Journal of Xi'an Jiaotong University (Social Sciences)，2015，49(5)：30-35．

[9] 馬露露，代勇，許家琪，等．低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發(fā)電廠聯(lián)產(chǎn)方式選擇[J]．發(fā)電技術(shù)，2015，161(36)：30-42．

Ma L L，Dai Y，Xu J Q，et al．LT-MED and selection of cogeneration of thermal power plant[J]．Power Generation Technology，2015，161(36)：30-42．

[10] 沈勝?gòu)?qiáng)，孫甜悅，劉曉華，等．TVC在MED海水淡化裝置中的作用和性能分析[J]．熱科學(xué)與技術(shù)，2010，(9)2：144-148．

Sheng S Q，Sun T Y，Liu X H，et al．Analysis of the function and performance of TVC in MED seawater desalination plant[J]．Journal of Thermal Science and Technology，2010，(9)2：144-148．

[11] 解利昕，王紅菊，王世昌．平流流程多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)有效能分析[J]．水處理技術(shù)，2012，38(11):：51-54．

Xie L X，Wang H J，Wang S C．Analysis of effective energy of seawater desalination system with multi- effect distillation in advection process[J]．Technology of Water Treatment，2012，38(11)：51-54．

[12] Chen W X，Liu M，Chong D T，et al．A 1D model to predict ejector performance at critical and sub-critical operational regimes[J]．International Journal of Refrigeration，2013，36(6)：1750-1761．

[13] 高從堦，阮國(guó)嶺．海水淡化技術(shù)與工程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：113．

Gao C K，Ruan G L．Seawater desalination technology and engineering[M]．Beijing，China：Chemical Industry Press，2016：113．

[14] 孫小軍，龐毅，?？≌?，等．低溫多效海水淡化不同進(jìn)料方式的造水比研究[J]．熱力發(fā)電，2010，39(5)：108-112．

Sun X J，Pang Y，Sang J Z，et al．Study on water production ratio of different feed methods for LT-MED [J]．Thermal Power Generation，2010，39(5)：108-112．

[15] 徐海濤，桑芝富．蒸汽噴射器噴射系數(shù)計(jì)算的熱力學(xué)模型[J]．化工學(xué)報(bào)，2004，55(5)：704-710．

Xu H T，Sang Z F．Thermodynamic model for calculation of injection coefficient of steam ejector [J]．Journal of Chemical Industry and Engineering (China)，2004，55(5)：704-710．

[16] 王永青．低溫多效壓汽蒸餾海水淡化系統(tǒng)熱力分析[J]．化學(xué)工程，2010，38(2)：55-58．

Wang Y Q．Thermal analysis of low temperature multi- effect pressure steam distillation seawater desalination system[J]．Chemical Engineering，2010，38(2)：55-58．

Influence of Steam Ejector on Low-temperature Multi-effect Distillation System Under Wide Load Operation of Power Plant

ZHANG Yousen1, FAN Jiang2, DING Tao1, CHEN Weixiong2*, ZHAO Shuran2, LIU Miaomiao2

(1. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Chaoyang District, Beijing 100025, China; 2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering (Xi'an Jiaotong University), Xi'an 710049, Shaanxi Province, China)

The problem of lack of fresh water resources becomes more and more serious. The coupling of low-temperature multi-effect distillation (LT-MED) seawater desalination technology in thermal power plants is widely used, because it can effectively reduce the cost of water production. Ebsilon software was used to model the power plant and a LT-MED seawater desalination coupling system. The influences of steam ejectors on the thermal economy of the water and power cogeneration system under wide load were analyzed. The results show that the coupled system has the optimal performance for single-stage steam ejector at the 75% THA condition design of the power plant. For a cogeneration system with a two-stage steam ejector, the system's electricity loss for water production (ELWP) is reduced by 13.65% than the system with single-stage steam ejector, when the plant load is at 75% THA. And the two-stage steam’s ELWP is also lower than that of the single stage steam ejector system when the plant load is above 50% THA.

wide load of power plant; steam ejector; low-temperature multi-effect distillation (LT-MED); seawater desalination; thermal economy

10.12096/j.2096-4528.pgt.19167

TM 621

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0604303)。

Project Supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFB0604303).

2019-11-25。

(責(zé)任編輯 楊陽)